宝钢钢渣对水泥混凝土性能的影响.pdf

钎 魄 柑 中 国 科 技 核 心 期 刊 宝钢钢渣对水泥混凝土性雒帕影响 徐兵 ， 张国防 ( 1 宝钢发展有限公司， 上海2 0 1 9 9 9 2 同济大学， 上海2 0 1 8 0 4 ) 摘要： 主要研究了宝钢钢渣对水泥混凝土性能的影响。经安定性分析和混凝土试配确定宝钢钢渣在水泥混凝土中的合理掺量 为 ： 电炉热泼渣代 2 5 碎石 、 转炉滚筒渣代 4 5 砂 、 钢渣微粉代 2 0 矿粉 。 研究结果表 明， 钢渣微粉和钢渣粗细骨料在一定掺量范围 内配制得到的水泥混凝土力学性能 明显优于未掺钢渣 的普通水泥混凝土 ， 而且随着龄期增长 ， 其优势更为明显 。 微观分析表 明， 钢渣能 细化水泥混凝土内部孔隙， 提高混凝土 内部界面结构的致密性， 且钢渣对水泥混凝土微观结构的改善程度随着龄期增加而增强。 关键词： 混凝土； 钢渣微粉； 钢渣骨料； 微观分析 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 ； X 7 9 9 1 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 7 3 0 4 Th e i n f l u e n c e o f Ba o s t e e l s t e e l s l a g t o t h e c e m e n t c o n c r e t e p e rfo r m a n c e XU B i n f， Z H AN G G u o f a n f ( 1 B a o s t e e l Co mp r e h e n s i v e I n d u s t rie s De v e l o p me n t C o L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 9 9 9 ， C h i n a； 2 T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r ma i n l y s t u d i e s t h e i n fl u e n c e o f B an- s t e e l s t e e l s l a g t o t h e p e r f o r ma n c e o f c e me n t c o n c r e t e B y s t a b i l i t y a na l y s i s a n d c o nc r e t e t e s t ma t c h t e s t ， t h e r e a s o na b l e Ba o s t e e l s t e e l s l a g d o s a g e i n c o n c r e t e i s c o n fir me d： t h e t h e rm a l s p l a s h s l a g f r o m e l e c t ric f u ma c e s u b s t i t u t i n g 2 5 ma c a d a m， t h e c o n v e r t e r r o l l e r s t e e l s l a g s u b s t i t u t i n g 45 s a n d， a n d s t e e l s l a g fin e p o wd e r s u b s t i t u t i n g 2 O g r o u n d b l a s t f urna c e s l a g p o wd e r T h e r e s u l t s s h o w t ha t t h e me c hani c al p r o p e r t i e s of c e me n t c o nc r e t e wi t h c e r t a i n d o s a g e r a n g e o f s t e e l s l ag fin e p o wd e r a n d s t e e l s l a g agg r e g a t e i s b e t t e r t h a n t h a t o f o r d i n a r y c o n c r e t e wi t h o u t s t e e l s l ag I t s a d - v an t a g e i s mo r e a p p a r e n t alo n g wit h t h e age gro wt hT h e mi c r o s c o p i c a n a l y s i s s h o ws t h a t s t e e l s l ag ma t e r i als C an r e fi n e i n t e r n al p o r e an d i mp r o v e i n t e r n al c o n c r e t e i n t e r f a c e s t r u c t u r e c o mp a c t n e s s Th e i mp r o v e me n t d e gre e t e n ds t o b e o b v i o u s a l o n g wi t h t h e ag e i n e r e a s e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； s t e e l s l ag fi n e p o w d e r ； s t e e l s l a g a g gre g ate ； mi c r o s c o p i c an al y s i s 钢渣主要来自金属炉料中S i 、 M n 、 P等元素氧化后生成 的氧化物， 被浸蚀、 剥落的炉衬材料， 为了调整炉渣性质而向 炉内加入的造渣材料如石灰、 莹石、 白云石等【1 。近 1 0 年来， 宝钢逐步完善滚筒渣处理工艺，目前已完成第4 代滚筒渣处 理装置研发和投运， 除电炉渣部分采用热泼工艺、 转炉渣部分 采用 热闷 工艺 处理外， 大部分钢渣采用滚筒渣处理工艺， 滚筒 渣的安定性较已淘汰的浅盘水淬处理所得钢渣有明显改善， 这为宝钢钢渣在混凝土中应用提供了条件。我国在钢渣应用 于混凝土方面已有近 2 0 年研究，钢渣微粉已纳入J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合比 设计规程 ， 相关研究应用发现， 钢渣 骨料可提高混凝土力学性能、 耐久性能和耐磨性口 叫 ， 但没有 关于同时应用钢渣微粉和钢渣粗细骨料配制混凝土的分析研 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 - 2 9 ； 修订 日期： 2 0 1 3 0 1 0 9 作者简介： 徐兵， 男， 1 9 7 8 年生， 上海人， 工程师， 主要从事钢铁工业 固废综合利用研发工作 。地址 ： 上海市宝 山区铁 力路 2 4 6 8号甲四楼 1 1 5室 ， 电话： 0 2 1 6 6 9 3 0 6 2 9 6 1 0 ， E ma i l 究。 为实现宝钢钢渣在混凝土中的大掺量应用， 在控制钢渣安 定性风险的前提下， 对钢渣微粉、 钢渣粗细骨料部分替代水泥 和粗细骨料后混凝土性能的影响进行分析研究。 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 海豹P 0 4 2 5 ， 2 8 d 抗压强度为5 0 9 M P a 。 ( 2 ) 钢渣细骨料： 采用经磁选、 筛分所得0 5 m m粒径范 围的宝钢转炉滚筒钢渣砂， M F e 0 8 ， 细度模数3 1 ， ( 内照 射指数) 0 2 0 ， ， r ( 外照射指数) 0 1 0 ， 基本性能见表 1 。 ( 3 ) 钢渣粗骨料： 采用经破碎、 磁选、 筛分所得 5 2 5 m m 粒径范围的宝钢电炉热泼渣石， M F e 1 0 ， ， R a ( 内照射指数) 0 3 0 ， ( 外照射指数) 0 5 0 ， 基本性能见表 l 。 表 1 钢渣骨料的基本性能 俪甘 表观密度 紧密密度 紧密 吸水率泥块 压碎 ( k g m ) ( k g m 3 ) 空隙率 含量， 指标 钢渣细骨料 3 6 0 5 2 0 6 5 4 2 2 8 O 1 3 8 钢渣粗骨料 3 7 1 0 2 1 0 0 4 4 1 2 0 1 6 6 N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐兵 ， 等： 宝钢钢渣对水泥混凝土性能的影响 ( 4 ) 钢渣微粉： 采用宝钢转炉滚筒钢渣砂磨细加工所得， 比表面积4 7 0 m 2 k g ， 指标符合G B T 2 0 4 9 1 -2 006 用于水泥 和混凝土中的钢渣粉 中一级钢渣粉的要求。 ( 5 ) 粉煤灰： 宝钢C类 级， 细度 1 7 、 需水量比9 9 、 安 定性2 m m 。 ( 6 ) 矿粉： 宝田$ 9 5 级矿粉， 比表面积4 2 5 m 2 k g ， 7 d 活性 指数7 9 ， 2 8 d 活性指数 1 1 0 。 ( 7 ) 黄砂： 采用芜湖宝达建材有限公司生产的黄砂， 细度 模数2 0 。 ( 8 ) 碎石： 5 2 5 m m普通碎石。 ( 9 ) 外加剂： 羧酸类混凝土泵送剂S L H 一 9 9 7 。 2 钢渣安定性分析 钢渣微粉安定性按沸煮法检测合格。将钢渣微粉分别以 1 0 、 1 5 、 2 0 、 3 0 、 4 0 取代矿粉形成复合掺合料，参照 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 佣 于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 进行活性指数测试。测试发现钢渣微粉掺量控制在2 0 以 内， 复合掺合料活性指数基本保持； 钢渣微粉掺量超过2 0 ， 复合掺合料活性指数随着钢渣微掺量增加而明显下降，因此 复合掺合料中钢渣微粉比例宜控制在2 0 以内。 根据 G B T 2 4 7 6 3 -2 0 0 9 泡沫混凝土砌块用钢渣 的方 法， 分别将钢渣粗、 细骨料为1 0 0 集料成型， 经压蒸试验发 现试件均已裂成碎块。 这表明钢渣粗、 细骨料均存在安定性风 险， 以钢渣粗、 细骨料 1 0 0 替代普通砂、 碎石应用于水泥基 材料时易引发体积稳定性问题。为控制钢渣骨料安定性风险 并保证混凝土体积稳定，以钢渣粗骨料替代 1 5 4 0 碎石、 钢渣细骨料替代2 0 一 6 0 砂， 经压蒸对比试验确定： 转炉滚 筒钢渣代砂比例宜控制在5 0 以内， 电炉热泼渣代碎石比例 宜控制在3 0 以内， 压蒸膨胀率指标合格。这说明宝钢钢渣 骨料在合理掺量内可作为混凝土骨料使用。 3 混凝土性能对比分析 以上海某大型混凝土搅拌站C 3 0 混凝土基础配合比为 空白混凝土配合比 ； 根据钢渣安定性检测结果并考虑钢渣 密度较大而带来的骨料体积变化， 按J G J 5 5 2 0 1 1 等进行掺 钢渣混凝土试配， 通过试配优选确定对比混凝土配合比G F S S ( 对比P ， r ， 复合掺合料中钢渣微粉占2 0 ， 钢渣粗骨料代碎石 2 5 ， 钢渣细骨料代砂4 5 ) ， 按G B T 5 0 0 8 0 2 002 普通混凝 土拌合物性能试验方法标准 、 G B f F 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝 土力学性能试验方法标准 及 G B T 5 008 2 12 009 普通混凝 土长期性能和耐久性试验方法标准 ， 对2 组混凝土进行性能 对比分析。 对比混凝土的坍落度控制在( 1 2 0 2 0 ) m m ， 配合比 7 4 新型建筑材料 2 0 1 3 5 见表2 ， 混凝土性能见表3 。 表 2 C 3 0混凝土的质量配合比 编号 水泥水 砂 碎石 粉煤灰 矿粉 减水剂 密度 ( k g m ) 2 2 9 1 O 坍落度 i n l 1 初始 1 3 0 3 0mi n 1 0 0 2 8 d抗压 3 7 7 强度 MP a 2 8 d抗折 3 7 1 8 0d抗压 4 4 -4 5 6 d电通量 C 1 9 5 8 抗渗等级P 1 3 抗冻性能 ( 快冻法， 1 5 0次) ， 质量损失率， O 4 从表 3 可以看出， G F S S 相对于P T ： 密度增大7 8 ， 坍落 度损失略大， 2 8 d抗压强度提高4 0 ， 2 8 d抗折强度提高 3 2 4 ， 1 8 0 d 抗压强度提高2 3 2 ， 5 6 d电通量基本持平， 抗 渗等级提高1 个等级， 1 5 0 次快冻法质量损失率持平。 可以看 出，掺入钢渣特别是钢渣骨料后，混凝土的力学性能得到改 善， 而且随着龄期增长， 优势趋于明显， 通过微观分析可进一 步了解钢渣对水泥混凝土性能的影响。由于将引起混凝土密 度增大， 因此， 宝钢钢渣适用于道路、 地坪、 护岸等工程。 针对G F S S 混凝土试块( 截面为 1 00m m x l 0 0m m ) ， 利用 压蒸釜进行2 0 M P a 气压下3 h 压蒸试验， 2 块试块完好， 这 表明通过科学配制， G F S S 配合比不仅满足设计，也有效控制 了大掺量钢渣可能引起安定性风险。 4 微观分析 4 1 孔隙情况 水化2 8 d , 9 0 d时P T 、 G F S S 样品内部的孔隙情况见图 l 。 由图1 可知， 水化2 8 d 时， P I 中可以观察到一些孔径5 0 1 00 m的大孔隙， G F S S 中， 虽然有少量大的孔隙， 但能观察 到更多的孔径在2 0 m以下的孔隙， 这表明钢渣原材料对水 泥混凝土内部孔隙细化作用更为明显。 水化9 0 d 时， 中可以观察到个别孔径为5 0 1 00 m 的大孔隙， 但数量有所减小； G F S S 中也能观察到个别孔隙， 但 孔隙孔径均较小， 且相比 ， 明显更为密实。这表明， 掺入钢 渣粉、钢渣细骨料以及钢渣粗骨料对水泥混凝土的内部孔隙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐兵， 等： 宝钢钢渣对水泥混凝土性能的影响 由图3 可知，水化7 d 时， 2 组水泥混凝土中 水化产物仍 主要是C S H凝胶、 钙矾石和氢氧化钙等物质， 没有观察到有 新物质生成。 中C S H凝胶生长良好， 为细长的针状， 并伴 有少量棒状的钙矾石， 粉煤灰颗粒表面光滑， 没有发生反应迹 象。 G F s S 中， C S H凝胶等水泥水化产物尺寸相对较短小。分 析表明， 水化7 d 时， 钢渣原材料一定程度上影响到水泥水化 产物的生长， 导致水化产物更为细小。 水化2 8 d时， 中水化产物生长良好， 相比于7 d 时， 水 化产物之间的致密程度明显增强，但粉煤灰颗粒表面仍比较 光滑， 没有发生水化反应。G F S S 中， 相比于7 d 时， C S H凝胶 等水泥水化产物的尺寸明显增大，但水化产物之间致密程度 较低， 水化产物之间存在一些小的孔隙。 同样可以观察到水化 2 8 d 的2 组水泥混凝土中，水化产物仍主要是C S H凝胶、 钙 矾石和氢氧化钙等物质， 没有观察到有新物质生成。 水化9 0 d 时， 相比于 7 d 和2 8 d时水泥水化产物更 为致密， 水化产物仍主要是 C S H凝胶、 氢氧化钙以及钙矾石 等， 但粉煤灰颗粒 表面已 开始发生水 化反应， 生成少量的水 化 产物， 粉煤灰颗粒与周围水化产物结合紧密。G F S S 中相比于 水化7 d 和2 8 d ， 水泥水化产物之间致密程度明显改善， 且水 化产物较多。同样可以观察到， 水化9 0 d的2 组水泥混凝土 中， 水化产物仍主要是C S H凝胶、 钙矾石和氢氧化钙等物质， 没有观察到有新物质生成。 5 结语 ( 1 ) 宝钢钢渣骨料应用于混凝土须通过压蒸安定性检测后 确定合理掺量，试验表明转炉滚筒钢渣代砂比例宜控制在 5 0 以内， 电炉热泼渣代碎石比例宜控制在3 O 以内， 压蒸膨 胀率指标合格。 ( 2 ) 经合理配制， 钢渣微粉代2 0 矿粉、 转炉滚筒钢渣代 4 5 砂、 电炉热泼渣代2 5 碎石应用于C 3 0 混凝土， 混凝土体 积稳定性良好； 2 8 d 抗压强度提高4 O ， 2 8 d 抗折强度提高 3 2 4 ， 1 8 0 d 抗压强度提高2 3 2 ， 5 6 d电通量基本持平， 抗 渗等级提高1 个等级， 1 5 0 次快冻法质量损失率持平。 ( 3 ) 混凝土中掺加宝钢钢渣后密度明显增大， 因此， 宝钢 钢渣适用于道路、 地坪、 护岸等工程混凝土。 ( 4 ) 微观分析表明随着龄期延长， 钢渣材料能细化水泥混 凝土内部孔隙、 改善水泥混凝土内部骨料与水泥水化产物之 间的粘结性能， 使得其内部界面结构更为密实， 这有利于混凝 土的力学性能和抗渗等耐久性能。 ( 5 ) 微观分析表明适量钢渣粉、 钢渣细骨料以及钢渣粗骨 料等钢渣原材料应用于混凝土，水化产物仍主要是C S H凝 胶、 钙矾石和氢氧化钙等物质， 无新水化产物生成。 参考文献： 【 1 郭家林 ， 赵俊学， 黄敏 钢渣综合利用 技术 综述及建议f J 中国冶 金， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 2 ) ： 3 5 3 8 2 】 金强 ， 贺鸿珠 ， 杨刚 ， 等 宝钢钢渣在混凝土材料中资源 化应用 技 术研究 J 】 宝钢技术 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 9 2 2 3 】 涂文懋 ， 魏茂 钢渣显微构造和特性及其在混凝 土中的应用研 究 J 】 _混凝土， 2 0 0 7( 1 1 ) ： 7 7 7 9 4 】 赵 俊 水利保 滩工程 用的钢渣 混凝土性 能研究 J 】 粉煤 灰 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 3 0 3 1 5 白敏， 尚建丽， 张松榆， 等 钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研 究【 J 1 混凝土， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 6 2 6 4 A ( 上接第 5 1页) 【 1 5 】 周卫东 ， 杨鼎宜 ， 张磊 ， 等 现浇轻质 泡沫 混凝土 的研 究和制备 J 】 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 5 , 3 2( 6 ) ： 4 1 _ 4 3 1 6 王武祥 ， 刘 宁， 罗栓 定泡沫混凝土在 引黄工程洞 穿管回填中 的 应用叨 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 1 2 1 5 1 7 】 赖有志， 陆京海， 杨军霞， 等 现浇轻质泡沫混凝土在屋面工程 中的应用【 J 】 施工技术， 2 0 l 1 ， 4 0 ( 1 4 ) ： 7 9 8 0 ， 9 4 1 8 李楠 防水隔热泡沫混凝土的研究与应用 J 】 国外建材科技， 2 o o 6 ， 2 7( 4 ) ： 9 1 3 1 9 潘志华 ， 陈国瑞， 李东旭 ， 等 现浇泡沫混凝 土常见质量 问题 分 析及对策 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 4 ， 3 1 ( 1 ) ： 4 - 7 【 2 0 】 李应权， 徐洛屹， 王明轩， 等- A级防火泡沫混凝土保温板 新 7 6 新型建筑材料 2 0 1 3 5 型建筑材料， 2 0 1 2 ， 3 9 ( 2 ) ： 6 9 7 1 【 2 1 】 孙氰萍泡沫混凝土与混凝 土复合保温空心砌块 的研制啪建筑 砌块与砌块建筑 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 - 2 【 2 2 】 肖力光， 盖广清， 杨艳敏 高掺量粉煤灰泡沫混凝土砌块 的实验 研究 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 1 ) ： 3 3 3 5 【 2 3 】 杨久俊， 李晔， 吴洪江， 等 粉煤灰高强微珠泡沫混凝土的研究 们 粉煤灰 ， 2 0 0 5 ， 1 7 ( 1 ) ： 2 1 2 4 【 2 4 王武祥 泡 沫混 凝土在自 保温砌块中的 应用 研究J 建筑砌块与 砌块建筑 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 2 - 4 【 2 5 】 范锦忠 陶粒泡沫混凝土砌块叨 砖瓦， 2 0 0 9( 7 ) ： 4 4 4 7 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m